CN105447297B - 预测s型树脂包膜控释尿素在设施土壤中氮素释放量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种预测S型树脂包膜控释尿素在设施土壤中氮素释放量的方法。该方法包括：1)确定氮素瞬时释放率、释放时间与释放量；2)确定氮素释放速率常数q与相关参数m、h等；3)确定氮素释放潜能Q，构建氮素释放预测模型；4)，采集设施土壤温度，计算肥料释放定量氮素所需时间；5)计算得到所述S型树脂包膜控释尿素肥料在设施土壤中的累积氮素释放量。本发明仅通过采集田间温度可较准确预测S型树脂包膜控释肥料在田间设施土壤中氮素释放的速率，不失为一种简单、实用型的预测方法，对控释肥料的推广应用具有重要的指导和推荐意义。

Description

预测S型树脂包膜控释尿素在设施土壤中氮素释放量的方法

技术领域

本发明属于肥料领域，具体涉及一种预测S型树脂包膜控释尿素在设施土壤中氮素释放量的方法。

背景技术

缓控释肥料自生产应用以来在农业生产中发挥了巨大的作用，鉴于对经济发展和环境保护的双重考虑，国家将其列为今后农业生产发展的重要支撑技术之一。但目前缓控释肥料在应用方面还存在着一定程度的不足，阻碍其推广应用。经过我们初步的研究发现，S型树脂包膜控释肥料在低温时氮素释放速率可能变慢，溶出相同养分量所需时间延长、高温时则相反。对于这一点国内外缺乏在室内与田间条件下对群体包膜控释肥料氮素释放动力学特征差异的系统研究，导致目前室内常规测试方法(25℃恒温水浸泡法)较难反映树脂包膜控释肥料在田间的实际释放过程；而其它预测模型方法的构建不仅缺乏与大田实际条件的结合(预测效果无法真实说明)，且参数复杂、预测包膜控释肥料在田间土壤中的释放量误差较大，难以实际推广应用。经过本发明人多次试验总结认为，问题主要是(一)有关文献采用盆栽埋袋法试验来建立或验证预测模型，实际上准确度、重复性非常差；(二)已有预测模型参数较多。

发明内容

本发明的目的是提供一种预测S型树脂包膜控释尿素在设施土壤中氮素释放量的方法。

本发明提供的预测S型树脂包膜控释尿素在设施土壤中实际氮素释放量的方法，包括如下步骤：

1)采用室内梯度恒温培养试验，计算得到所述S型树脂包膜控释尿素在温度t₁时氮素的累积释放时间d₁与在所述累积释放时间d₁时氮素的累积释放量R₁；

2)利用回归分析方法，将步骤1)所得温度t₁时氮素的累积释放时间d₁、累积释放量R₁及公式I代入SPSS分析软件中，对所述公式I中的m、h和q进行拟合，

将所得拟合后的温度t₁时的m₁、h₁、q₁和步骤1)所得氮素的累积释放时间d₁代入公式I中，得到温度t₁时氮素的累积释放量R₁的拟合值，用R_a表示；

R＝m/[1+h×e^(-q×d)] 公式I

所述公式I中，

R为氮素的累积释放量，单位为％；

d为氮素的累积释放时间；

m为指前因子；

h为尺度常数；

q为释放速率常数；

所述R_a与步骤1)所得R₁差异不显著；

3)按照步骤1)的方法，将所述温度t₁替换为温度t_i，所述t_i中，i为大于2的整数，得到温度t_i时氮素的累积释放时间d_i与在所述累积释放时间d_i时氮素的累积释放量R_i；

再按照步骤2)的方法，将d_i、R_i与所述公式I代入SPSS分析软件中，得到温度t_i时的q_i；

将步骤2)所得q₁和步骤3)所得q_i利用ANOVA方差分析方法进行分析，若所述q₁、q_i之间的差异显著，则所述S型树脂包膜控释尿素为温度依赖型包膜控释肥料，则进行步骤4)和5)；

若所述q₁、q_i之间的差异不显著，则所述S型树脂包膜控释尿素不是温度依赖型包膜控释肥料，则终止计算；

4)将步骤3)所得q_i代入公式II中，得到所述S型树脂包膜控释尿素中氮素释放潜能Q，单位为J·mol^-1：

公式II

所述公式II中，E＝8.31 J·mol^-1；n为大于3的整数；D_j为t_i+275；t_i为q_i对应的温度；

5)如果所述设施土壤在每天的最高温度和最低温度之差大于2.7℃，则将步骤4)所得Q值代入公式III1中，得到焓化时数F：

公式III1

所述公式III1中，F的单位为天数；

θ₁表示每天10:00到20:00设施土壤的平均温度，单位为℃；

θ₂表示每天20:00至次日10:00设施土壤的平均温度，单位为℃；

W₁＝0.42；W₂＝0.58；p＝25，E＝8.31 J·mol^-1；r为所述S型树脂包膜控释尿素在设施土壤中的实际释放天数；

如果所述设施土壤在每天的最高温度和最低温度之差不大于2.7℃，则将步骤4)所得Q值代入公式III2中，得到焓化时数F：

公式III2

所述公式III2中，F为焓化时数，单位为天数；θ为设施土壤温度的平均值，单位为℃；p＝25；W＝1.06，E＝8.31 J·mol^-1；r为所述S型树脂包膜控释尿素在设施土壤中的实际释放天数；

6)将步骤5)所得F、m_25℃、h_25℃、q_25℃代入公式IV，得到所述S型树脂包膜控释尿素在设施土壤中的实际累积氮素释放量R：

公式IV

所述公式IV中，m_25℃、h_25℃、q_25℃为按照步骤2)所述方法拟合得到的t₁＝25℃时的m、h和q；r为所述S型树脂包膜控释尿素在设施土壤中的实际释放天数；

Z为修正参数，取值如下：

所述S型树脂包膜控释尿素的包衣率≤7％，理论释放周期与室内培养检测释放周期之差小于理论释放周期的三分之一，Z＝1；

所述S型树脂包膜控释尿素的包衣率≤7％，理论释放周期与室内培养检测释放周期之差等于大于理论释放周期的三分之一，Z＝1.2；

所述S型树脂包膜控释尿素的包衣率＞7％，理论释放周期与室内培养检测释放周期之差小于理论释放周期的三分之一，Z＝1.25；

所述S型树脂包膜控释尿素的包衣率＞7％，理论释放周期与室内培养检测释放周期之差等于大于理论释放周期的三分之一，Z＝1.8。

上述方法的步骤1)中，采用室内梯度恒温培养试验时所用群体颗粒肥料的用量不小于10.0g；

所述室内梯度恒温培养试验包括如下步骤：将所述群体颗粒肥料和水在室内进行恒温培养，并设置至少4个温度梯度；

步骤2)中，所述R_a与步骤1)所得R₁差异不显著具体可为步骤1)所得R₁与步骤2)所得R_a进行适合性x²测验以验证公式I的有效性，如有效，进行步骤3)至6)；

回归分析方法为在SPSS分析软件中进行；

步骤3)中，ANOVA方差分析方法为在SPSS中分析软件中进行；

步骤1)-4)均为

根据步骤1)～6)所得，当氮素累积释放量的预测值与实测值之间误差小于15％～25％时预测方法认为有效。

发明人发现在设施蔬菜土壤中，因为控释肥料施肥深度处水分比较充足，此深度设施土壤水分含量一般不会成为控释肥料养分释放的限制因子。因此，对于温度依赖型的树脂包膜控释肥料，温度即成为养分释放的主要影响因子。如果能够仅通过温度来预测树脂包膜控释肥料在设施土壤中的氮素释放量，则预测的准确性会显著提高。

树脂包膜控释肥料在水分充足的条件下养分释放主要受温度影响，鉴于此，本发明提供了一种主要通过温度来较准确预测S型树脂包膜控释尿素在田间设施土壤条件下氮素释放的简单实用型预测方法。本方法主要在田间设施土壤水分条件充足情况下实施。针对定量群体控释肥料，采用室内梯度恒温培养方法确定包膜控释肥料氮素释放天数与释放量；采用SPSS统计软件回归分析方法、线性最小二乘法以及方差分析方法确定氮素释放速率常数q与相关参数m、h等；在此基础上构建氮素释放预测模型并修正；最后采集田间设施土壤温度或气温，将其转换后利用预测模型预测控释肥料氮素释放量。该方法仅通过采集田间温度可较准确预测S型树脂包膜控释肥料在田间设施土壤中氮素释放的速率，不失为一种简单、实用型的预测方法，对控释肥料的推广应用具有重要的指导和推荐意义。

附图说明

图1为设施土壤温度。

图2为设施土壤日平均温度。

图3为设施土壤日分段平均温度。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步阐述，但本发明并不限于以下实施例。所述方法如无特别说明均为常规方法。所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径获得。

实施例1、

1)称取5～15g S型树脂包膜控释尿素放入250ml塑料瓶中，然后倒入150～250ml蒸馏水，将塑料瓶放入生化培养箱中室内恒温培养，在5～55℃之间设置4个温度梯度：10℃、15℃、25℃、35℃，在每个梯度下定期取出塑料瓶中的溶液摇匀后测定肥料氮素溶出率，之后重新加入150～250ml蒸馏水继续恒温培养，计算得到在不同温度下氮素累积释放时间d与累积释放量R；

表1、25℃室内恒温培养试验氮素释放量及步骤2)所得拟合值

2)利用SPSS分析软件中的回归分析方法，将步骤1)所得温度t₁为25℃时氮素的累积释放时间d₁、累积释放量R₁及公式I代入SPSS分析软件中，对公式I中的m、h和q进行拟合，得到25℃的指前因子m₁＝94，25℃的尺度常数h₁＝1262，25℃的释放速率常数q₁＝0.255。

将所得拟合后的温度t₁时的m₁、h₁、q₁和步骤1)所得氮素的累积释放时间d₁代入公式I中，得到温度t₁时氮素的累积释放量R₁的拟合值，用R_a表示；

R＝m/[1+h×e^(-q×d)] 公式I

公式I中，R为累积释放量；d为氮素的累积释放时间；m为指前因子；h为尺度常数；q为释放速率常数；

对步骤1)所得R₁与步骤2)所得R_a进行适合性x²测验以验证公式的有效性，具体如下：

查表得实际说明步骤2)所得R_a与步骤1)所得R₁差异不显著，公式拟合得好，可以用于预测，获得的相关参数有效。

3)按照步骤1)的方法，分别得到10℃、15℃、35℃下氮素的累积释放时间d_i与在该累积释放时间d_i时氮素的累积释放量R_i；

再按照步骤2)的方法，分别将10℃、15℃、35℃下d_i、R_i与公式I代入SPSS分析软件中，得到温度t_i时的m_i、h_i、q_i；

所得结果如下：

10℃、15℃、35℃下的m、h值依次为：

10℃为87.5、524；15℃为88、542.2；35℃为91.4、627.2；

氮素释放速率常数q值平均分别为0.058±0.005、0.080±0.008、0.435±0.018。

通过SPSS中的ANOVA方差分析方法，四种温度下的q值达到显著差异水平(p＜0.05)，表明所用肥料属于温度依赖型包膜控释肥料，可进行后续步骤。

4)树脂包膜控释肥料氮素释放潜能Q的确定。

将步骤3)所得温度t₁、q₁与步骤3)所得温度t_i、q_i代入公式II中，得到所述S型树脂包膜控释尿素中氮素释放潜能Q，单位为J·mol^-1：

公式II

公式II中，E＝8.31 J·mol^-1；n为4；D_j为t_i+275；t_i为q_i对应的温度；

计算得到，该树脂包膜控释肥料氮素释放的潜能Q＝61561 J·mol^-1。

5)将该实施例所用S型树脂包膜控释尿素埋入田间土层(也即设施土壤)15cm处，采用Logtag温度记录仪连续监测此处温度(间隔2h测定一次温度)，并不定期取样测定包膜控释肥氮素释放量，所得温度测量值如图1所示，日平均温度如图2所示。

由图1和图2可知，从第一天至第52天，该田间土层每天的最高温度和最低温度之差大于2.7℃，因此，需要将每天的温度分成两段：每天10:00到20:00田间土层的平均温度为一段；每天20:00至次日10:00田间土层的平均温度为一段；

取值后的结果见图3。

利用图3的温度数据，计算F_r如下：

从53天至65天，该田间土层每天的最高温度和最低温度之差不大于2.7℃，故每天的温度不用分段处理，用如下公式进行计算：

根据如上结果，从第1天至第65天的F值

6)将步骤5)所得F值、步骤2)所得25℃下的m_25℃、h_25℃、q_25℃代入公式IV，得到该S型树脂包膜控释尿素在设施土壤中实际累积氮素释放量R：

公式IV

由于选用的树脂包膜控释肥料包衣率≤7％，但理论释放周期(48天)与室内培养检测释放周期(52天)之差小于理论释放周期的三分之一，因此，Z＝1.0，故该公式IV具体为如下公式：

R＝94/[1+1262×e^{(-0.255×54.2)}]×1.0

计算所得R值见表2。方差分析表明，氮素累积释放量的预测值与实测值之间误差小于15％～25％。证实了本发明提供的方法能够较准确的预测自然条件下树脂包膜控释肥料氮素释放量。

表2、氮素累积释放量预测值与实测值的比较

Claims (2)

1.一种预测S型树脂包膜控释尿素在设施土壤中实际氮素释放量的方法，包括如下步骤：

1)采用室内梯度恒温培养试验，计算得到所述S型树脂包膜控释尿素在温度t₁时氮素的累积释放时间d₁与在所述累积释放时间d₁时氮素的累积释放量R₁；

2)利用回归分析方法，将步骤1)所得温度t₁时氮素的累积释放时间d₁、累积释放量R₁及公式I代入SPSS分析软件中，对所述公式I中的m、h和q进行拟合，

将所得拟合后的温度t₁时的m₁、h₁、q₁和步骤1)所得氮素的累积释放时间d₁代入公式I中，得到温度t₁时氮素的累积释放量R₁的拟合值，用R_a表示；

R_a＝m/[1+h×e^(-q×d)] 公式I

所述公式I中，

R_a为氮素的累积释放量，单位为％；

d为氮素的累积释放时间；

m为指前因子；

h为尺度常数；

q为释放速率常数；

所述R_a与步骤1)所得R₁差异不显著；

3)按照步骤1)的方法，将所述温度t₁替换为温度t_i，所述t_i中，i为大于2的整数，得到温度t_i时氮素的累积释放时间d_i与在所述累积释放时间d_i时氮素的累积释放量R_i；

再按照步骤2)的方法，将d_i、R_i与所述公式I代入SPSS分析软件中，得到温度t_i时的q_i；

将步骤2)所得q₁和步骤3)所得q_i利用ANOVA方差分析方法进行分析，若所述q₁、q_i之间的差异显著，则所述S型树脂包膜控释尿素为温度依赖型包膜控释肥料，则进行步骤4)和5)；

若所述q₁、q_i之间的差异不显著，则所述S型树脂包膜控释尿素不是温度依赖型包膜控释肥料，则终止计算；

4)将步骤3)所得q_i代入公式II中，得到所述S型树脂包膜控释尿素中氮素释放潜能Q，单位为J·mol^-1：

所述公式II中，E＝8.31J·mol^-1；n为大于3的整数；D_j为t_i+275；t_i为q_i对应的温度；

5)如果所述设施土壤在每天的最高温度和最低温度之差大于2.7℃，则将步骤4)所得Q值代入公式III1中，得到焓化时数F：

所述公式III1中，F的单位为天数；

θ_1r表示每天10:00到20:00设施土壤的平均温度，单位为℃；

θ_2r表示每天20:00至次日10:00设施土壤的平均温度，单位为℃；

W₁＝0.42；W₂＝0.58；p＝25，E＝8.31J·mol^-1；r为所述S型树脂包膜控释尿素在设施土壤中的实际释放天数；

如果所述设施土壤在每天的最高温度和最低温度之差不大于2.7℃，则将步骤4)所得Q值代入公式III2中，得到焓化时数F：

所述公式III2中，F为焓化时数，单位为天数；θ_r为设施土壤温度的平均值，单位为℃；p＝25；W＝1.06，E＝8.31J·mol^-1；r为所述S型树脂包膜控释尿素在设施土壤中的实际释放天数；

6)将步骤5)所得F、m_25℃、h_25℃、q_25℃代入公式IV，得到所述S型树脂包膜控释尿素在设施土壤中的实际累积氮素释放量R：

R＝m/[1+h×e^(-q×F)]×Z 公式IV

所述公式IV中，m_25℃、h_25℃、q_25℃为按照步骤2)所述方法拟合得到的t₁＝25℃时的m、h和q；r为所述S型树脂包膜控释尿素在设施土壤中的实际释放天数；

Z为修正参数，取值如下：

所述S型树脂包膜控释尿素的包衣率≤7％，理论释放周期与室内培养检测释放周期之差小于理论释放周期的三分之一，Z＝1；

所述S型树脂包膜控释尿素的包衣率≤7％，理论释放周期与室内培养检测释放周期之差等于大于理论释放周期的三分之一，Z＝1.2；

所述S型树脂包膜控释尿素的包衣率＞7％，理论释放周期与室内培养检测释放周期之差小于理论释放周期的三分之一，Z＝1.25；

所述S型树脂包膜控释尿素的包衣率＞7％，理论释放周期与室内培养检测释放周期之差等于大于理论释放周期的三分之一，Z＝1.8。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤1)中，采用室内梯度恒温培养试验所用群体颗粒肥料的用量不小于10.0g。